滤光片阵列型多光谱相机中阵列的设计与形变影响分析

为了限制多光谱相机中滤光片与探测器靶面之间存在的光谱混叠区域的大小,提高像元利用率,详细设计了滤光片阵列.不同于在轨运行时的状态,实际地面实验测试时滤光片阵列承受较大的内外压差,面型发生变化,可能对多光谱相机成像质量造成不良影响.根据有限元分析方法详细分析了滤光片阵列在这种情况下的变形,利用Zernike多项式拟合形变面型附加于Zemax中原滤光片阵列面型上,考察多光谱相机光学系统调制传递函数的变化.结果表明:在内外压差的作用下,系统调制传递函数未出现明显变化,可以忽略滤光片阵列表面变形对多光谱相机光学系统成像质量的影响.     

机械快门滤光片式多光谱成像仪相对定标方法研究

大面阵滤光片阵列多光谱成像仪采用了全帧转移大面阵探测器,并利用机械快门保证采集数据时不发生拖尾现象,但由于机械快门开合时间的不稳定性,使多光谱成像仪数据出现区域间的亮度不均匀,而且还会造成彩色图像偏色条带。故提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法,利用图像重叠部分的辐射特性,计算光谱图像的辐射矫正因子,对拼接图像的非均匀性进行矫正。并利用差分评价矫正效果。最后对多光谱相机采集的外场实验数据进行处理和矫正,结果表明,该方法可以很好的矫正单色拼接图像区域间的非均匀性,并可以消除彩色合成图像中的偏色条带;适用于有重叠部分的图像拼接,并且对于拼接误差不敏感。     

一种八谱段滤光片成像系统设计

针对多光谱滤光片阵列成像采样率低,原始(Raw)数据稀疏所导致的重建图像模糊,高频信息丢失等问题,提出了一种新八谱段滤光片阵列分布方案,利用基于邻域梯度延伸方法对光谱Raw图像进行重建.首先基于二叉树生成法,在重复排列的4×4阵列中设计了一种等空间概率比的八谱段滤光片分布方案;然后针对传感器直接获取的稀疏Raw图像,计算各谱段采样点的梯度信息,在保持图像结构特征和纹理信息的基础上,利用邻域采样点的像素值和梯度值对未采样点进行重建,从而获得完整的光谱图像信息;最后,基于已重建的八谱段光谱图像,采用伪逆矩阵法重构各像素位置的31波段光谱值.结果表明,相对于主流图像重建方法,本文算法提高了重建八谱段光谱图像的峰值信噪比、复合峰值信噪比,降低了光谱均方差,更好地保留了图像的纹理和边缘,有效降低了多光谱滤光片阵列成像中的颜色伪影和图像模糊等现象.     

基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计

提出一种新的轻小型高光谱成像系统,将液晶可调谐滤光片LCTF应用于高光谱成像技术,用电调谐的LCTF代替传统的机械滤光片转轮,在可见-近红外波段上可快速地实现波长的任意调谐。系统由光学镜头、LCTF和CCD探测器组成。文章首先详细描述了系统结构、光学设计及其工作原理;再利用该成像系统,以飞艇为平台进行了野外试验,获取了高光谱立体图像,所获取的图像有较高的空间分辨率和光谱分辨率;文章给出16个波段中546～600 nm的局部图像数据,最后对图像进行初步的数据处理,推导出地物420～720 nm的光谱反射率。试验验证了该成像系统的高光谱数据成像获取能力,成像数据可应用于光谱分析。     

四通道可见光光谱相机的设计

随着光谱技术的发展，多光谱相机在农业、医疗、机器视觉、遥感探测等领域都得到了广泛的应用。提出一款小型化四通道可见光波段的多光谱相机，尺寸为107 mm×110 mm×74 mm，质量1 043 g，适合搭载在小型化无人机上进行遥感探测。相机系统采用棱镜分光光路设计方案，避免光程差和光轴偏移；设计开发的四通道可见光多光谱相机，采用一个FPGA控制器同时驱动4个图像传感器，实现4个通道像素级同步采集，曝光完全一致。实验结果显示:在红、绿、蓝3个特定波段及全波段相机可实时输出图像，既可输出某个特定波段图像(60 fps)，也可同时输出4个波段图像(15 fps)，有利于多波段图像同步采集，以及多光谱图像融合的研究。     

多通道光谱采集系统滤光片设计方法研究

普通彩色相机加载宽带滤光片构造的多通道光谱采集系统的光谱重建性能与滤光片的选用密切相关。针对上述问题,提出基于主成分分析法的合成滤光片设计方法,旨在获得具有较高光谱重建性能并对所有图像场景均适用的最优滤光片组合。在收集多个宽带滤光片的基础上,测得其透射率并转换成矩阵形式;采用主成分分析方法提取该矩阵的前2个主成分,标准化处理后的主成分即为所求合成滤光片的透射率。为了验证上述方法获得的滤光片的性能,利用色差和光谱均方根误差2个指标对加载了合成滤光片的仿真采集系统的光谱重建精度进行了评价。实验结果表明:采用该方法得到的滤光片组合优于常用方法得到的滤光片组合, 用其构造的成像系统具有较高的色度重建精度和光谱重建精度,此外,改变目标场景颜色特性,其重建性能保持稳定。     

可见光液晶光谱成像系统研究

利用向列相液晶材料的电控双折射效应,研制了用于可见光波段光谱调谐的大口径液晶可调滤光片,透过光谱测试表明,该滤光片在可见光波段(420~700 nm)以20 nm光谱分辨率可实现连续调谐和任意波长选择。利用该滤光片搭建了一种小型光谱成像系统,并在实验室内对若干样品进行了测试,结果表明,该系统可同时实现高图像分辨率和高光谱分辨率光谱成像,具备高、超光谱分辨率光谱成像的应用潜力,在生物医学、环境保护和资源探测等领域具有较好的应用前景。     

窄带快照式多光谱成像色彩还原方法

由于兼具光谱分辨和空间分辨能力, 快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、评价与赏析。已有的色彩还原算法主要针对光谱波段带宽较宽或者多个波段叠加基本覆盖整个可见光谱范围等两种光谱成像仪,不适合窄带多光谱成像方法的色彩还原。该研究适合于快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法,提出建立窄带多光谱彩色相机的概念。首先,提出两种窄带多光谱色彩还原方法：(1)基于CIE色度系统三刺激值色的,(2)基于贝尔阵列插值算法的;其次,分别应用两种算法还原快照式窄带多光谱相机所获得的植物、手臂及宫颈组织等三种代表性场景窄带多光谱灰度图像;之后,计算并比较表征两种算法所得的代表性场景彩色图像的均值、方差、熵及梯度等表征图像质量的参数数值,确定出适合快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法;最后,对所确定的色彩还原算法进行色偏校正。实验结果表明,基于CIE三刺激值色彩还原方法比贝尔阵列插值法更适用于窄带多光谱成像颜色复原。配合使用CIE三刺激值色彩还原方法及灰度图象校正算法,从窄带光谱成像所获得的植物、手臂皮肤及宫颈组织的灰度图像所还原出的近彩色图像逼近物体真实色彩,满足人眼观察习惯。介绍了仅覆盖可见光光谱范围30%的窄带多光谱图像进行色彩还原的方法,该方法证明快照式窄带多光谱成像可以兼具光谱分辨能力,同时保持可供人主观辨识的色彩信息。所提出实现快照式窄带多光谱彩色成像的方法,有望设计不同于传统RGB相机的彩色相机实施方案。     

基于液晶可调谐滤光片的多光谱图像采集系统

多光谱遥感探测波段的细化和增加,要求提高图像的采集和传输速度,原有的波长调谐方法和接口规范已不能满足需要.提出了一种新的基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的多光谱图像采集系统.该系统的成像部分用液晶可调谐滤光片替代传统的机械转轮滤光片,这种滤光片是电可调谐的,能在 400～720 nm波长范围内快速准确地实现16个波长的任意调谐,其最快响应时间达 50 ms;系统的采集控制部分遵循支持高速数据传输的Camera Link接口规范和PCI总线标准,使得嵌入式计算机能通过程序实时控制波长调谐、相机曝光时间设置及图像采集和存储.系统具有体积小、功耗低、稳定性高、采集速度快等特点,能够在机载、艇载等平台上工作,可用于低空遥感、环境监测等领域的研究.     

轻小型无人机高光谱影像拼接研究

轻小型、低成本无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)机载光谱成像仪的快速发展为水质监测、精准农业提供了新的手段。ZK-VNIR-FPG480机载高光谱成像仪是国产仪器,拥有自主产权,影像共有270个波段,光谱范围为400～1 000 nm,光谱分辨率为3 nm,空间分辨率为0.9 m@1 km,成像方式为运动推扫成像,该成像仪的特点是影像之间不存在航向重叠,只存在旁向重叠。它在提供高光谱、高空间分辨率影像的同时也存在着一系列问题：①无人机的狭窄视场限制了每条航带的地面覆盖范围,需要进行航带拼接;②其自带的POS系统定位精度低;③为提高作业效率,航带间的重叠率较低,一般设置在30%左右,为影像拼接增加了困难;④因飞行时受风力、光照以及仪器自身等影响使得每条航带间存在亮度差异,拼接时会出现拼接缝现象。针对上述问题提出一种基于曲面样条函数和相位相关的无人机高光谱影像拼接方法,旨在将无人机拍摄的单条高光谱航带拼接成一幅完整的带有地理坐标的全景图,并实现影像几何和光谱上的匹配。该方法包括以下几个步骤：首先,以正射影像为基准采用曲面样条函数法对高光谱航带进行地理配准,赋予每条航带真实的地理坐标;然后采用局部方差法计算各波段信噪比,取分值最高的波段作为最优波段;再利用该最优波段采用基于2幂子图像的相位相关算法来纠正航带间已经存在的地理空间映射关系,消除航带间存在的错位;最后选用加权平均融合法对相邻航带进行融合,消除航带拼接时因光照、仪器自身等影响所产生的拼接线问题,最终得到带有绝对地理坐标的高光谱全景图。实验使用ZK-VNIR-FPG480机载高光谱成像仪获取大理某地区的高光谱数据进行拼接,结果表明,该拼接方法得到的全景图拼接处没有错位现象,几何位置准确。选取4种典型地物拼接前后的光谱曲线,其曲线走向基本一致,计算拼接影像与拼接前左右影像的光谱角余弦均值为0.965 2,光谱相关系数均值为0.863 2,光谱信息散度均值为0.424 0,欧式距离均值为0.494 1,四种光谱曲线相似性测度指标客观上显示了曲线的高度相似性,表明拼接前后同名点的光谱匹配度高,适用于无人机高光谱数据的拼接。该方法不仅提高了拼接影像的地理坐标精度,还在消除拼接缝的基础上最大限度的保证了光谱的保真性,并通过引入2幂子图像解决了影像在重叠度低的情况下配准算法失效的问题。但拼接前相邻航带同名点间存在光谱差异,且高光谱数据量大,拼接耗时多,如何利用重叠区域的像素修正系统误差,统一拼接图像的度量空间以提升光谱精度和稳定性并提高拼接速度仍是今后需要解决的问题。